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元素 [美]I. 阿西莫夫　著　　郝润荣　译

　　　　 周期表

至此我所述的都是一些相当大的物体——恒星、星系、太阳

系、地球和它的大气层，现在让我们看看组成它们的物质的特性。

　　早期的理论

早期希腊哲学家对于大部分问题都采取论证与推理的方法，

他们曾断言地球是由少数元素或基本物质组成的。大约公元前

430年，阿克雷加斯的恩培多克勒把这些基本物质假定为土、空

气、水、和火4种。一个世纪后，亚里士多德又提出天空中含有

第五种元素——以太。中世纪研究物质问题的继承者是中世纪的

炼金术士，他们虽然陷入了幻术和骗术的泥坑，但他们所做的结

论比那些古希腊人更精明和合理，因为他们至少处理过他们所推

测的物质。

为了解释这些物质的不同性质，这些炼金术士们列表增添控

制元素，并附上这些元素的各种特性。他们把水银看作是使 物

质具有金属特性的元素，而把硫看作是使物质具有可燃性的元素。

16世纪的瑞士物理学家霍恩海姆是炼金术士中最好的一位，他加

了一种元素——盐，并认为它是使物质具有抗热性的元素。

炼金术士们认为，只要按合适的比例加入或取出某些元素，

就可以使该物质变成另一种物质。例如，像铅这种金属，只要加

入适量的水银就可以转变成金。这种寻求把贱金属转变成金的精

密技术持续了好几个世纪。在这期间，炼金术士们又发现了大量

比金更为重要的物质——譬如无机酸和磷。

无机酸——硝酸、盐酸，特别是硫酸（大约在公元1300年首

次被制造出来），引项发现引起了炼金术实验中的重大革命。这

些酸比以前知道的最强的酸（醋里面的醋酸）所具有的酸性要强

得多，而且不需要高温及长时间的等待就可以把物质分解。即使

在今天这些无机酸在工业上的用途仍非常重要，尤其是硫酸。据

说，一个国家的工业化程度，可以从它每年消耗的硫酸量来判断。

然而，几乎没有一个炼金术士愿意离开他追求的主要方向而

转到这些重要方面，其中一些无耻之徒，耽溺于骗人的色当，伪

称他们会变出黄金以便从一些有钱的赞助人那里赢得我们今天所

谓的经费，因此使得这们行业声名狼藉而导致炼金术士这个名称

遭人唾弃。到了17世纪左右，炼金术士变成了化学家，同时炼金

术也一步步发展成称之为化学的科学。

波义耳是这门科学诞生时出现的化学家中的一位，他建立了

波义耳气体定律。在他的《怀疑的化学家》一书中（1661年出

版），波义耳第一次建立了元素的明确的新准则：元素是一种基

质，它能与其他的元素结合成化合物，相反地，任何一种元素从

一种化合物中分离出来后，就不能再分解成任何更简单的物质了。

然而，对什么是真正的元素，波义耳仍保留了中世纪的观点。

例如，他认为金不是元素，可用某种方法从其他的金属制得。事

实上，与他同时代的牛顿也这样认为。牛顿在炼金术上花了很多

的时间（的确迟至1867年，奥匈帝王约瑟夫还发给他造金实验补

助金）。

在波义耳之后的一个世纪里，实际的化学工作者开始弄明白

了哪些东西可以分成更简单的物质，哪些不可以。卡文迪什曾经

指出，氢可以和氧结合产生水，所以水不是一种元素。后来拉瓦

锡把被认为是元素的空气分解成氧和氮。如此一来事情就理加清

楚了。以波义耳的元素准则来判断，古希腊所提出的元素则都不

是元素了。

至于炼金术士们认为是元素的水银和硫，后来根据“波义耳

准则”也证实确实为元素。其他如铁、锡、铅、铜、银、金和一

些非金属如磷、碳、砷也如此。而巴拉赛尔苏斯认为是“元素”

的盐，则被分解成两种更简单的物质。

当然，元素的定义取决于当时的化学水平。只要某种物质用

当时的化学技术不能分解，它便可以被视为一种元素。例如，拉

瓦锡的33种元素表中包含了石灰石和氧化镁等物质，但是在他死

于法国革命的断头台上之后14年，英国化学家戴维使用电流来分

解这两种物质，他把石灰石分解成氧和称为钙的另一种新元素。

同样地，他把氧化镁分解成氧和另一种新元素——镁。

另一方面，戴维已能够证实，瑞典化学家舍勒从盐酸制出来

的气体不像人们所想象的那样是盐酸和氧的化合物，而是一种真

正的元素，并合名为氯（源自希腊字“绿色”）。

　　　　 原子论

19世纪初，人们提出一套考察元素的全新方法，此法可说是

源于古希腊人的某些方法，古希腊人毕竟提出了已被证实在了解

物质方面是最为重要的独特观点。

希腊人曾展开过关于物质是连续或是不连续的辩论：物质可

以分割并无止境地分成愈来愈细的微粒，还是最后发现它是由不

可再分的质点组成的？大约公元前450年，留基伯和他的学生德

谟克利物二人坚持物质是不可分的。事实上，德谟克利特还把这

些质点叫做原子（意为“不可分割”）。他甚至认为，不同物质

是由不同的原子或不同的原子组合所组成的，并且认为，原子重

新排列可以使一种物质转变成另一种物质。考虑到这一切只是聪

明的猜测，人们不免会对他的正确判断力感到震惊。虽然在今天

这种观念是很明显的，但是在当时这些观点是非常模糊的，析拉

图和亚里士多德断然拒绝接受这些观点。

然而，上述观点在伊壁鸠鲁的讲义（写于公元前300年）及

其学派（伊壁鸠鲁学派）之中存留了下来。罗马的哲学家卢克莱

修是伊壁鸠鲁学说的重要信奉者，大约于公元前60年，他在自己

的一首长诗《物性论》中具体地把原子观念写了出来。卢克莱修

的诗的一个旧版本经过中世纪保存了下来，这首长诗是印刷术问

世后就印出来的最早著作之一。

原子的概念从来没有完全被西方学者遗忘过，在现代科学诞

生初期的原子论中，最著名的是意大利的哲学家布鲁诺和法国哲

学家伽桑狄。布鲁诺有许多非正统的科学观点，例如，他认为在

浩瀚无边的宇宙里有无数颗恒星（即遥远的太阳），而行星却围

绕着各自的恒星运转。他大胆地表示了自己的观点，结果在公元

1600年，以异端的罪名而被烧死。他是科学革命中的杰出殉难者。

俄罗斯人为了纪念他，还以他的名字来命名月球背面的环形山。

伽桑狄的气体可以压缩和膨胀的实验，显示出气体必定是由

分布很广的质点所组成。这个观点影响了波义耳，并使波义耳和

牛顿成为17世纪公认的原子论者。

1799年，法国化学家普鲁斯特证明，无论怎样制备碳酸铜，

其所含铜、碳和氧的重量比例都是一定的，而且该比例是很小的

整数比，为5：4：1。对于其他一些化合物，他也继续证明出有

相似的情况。

假定化合物是由各元素能结合的完整物体小数目结合形成的，

可以恰当地解释这种情况。英国化学家道尔顿在1803年指出了这

种情况，并且在1808年出版了一本书，该书的新化学资料都是过

去100年来所收集的，如果假设所有的物体都是由不可分割的原

子所组成，那么有一半的资料都可证实其意义（道尔顿保留了古

希腊字“原子”以表示对古代思想家的赞赏之意）。原子论提出

不久，大部分的化学家都接受了这项理论。

根据道尔顿的学主，每个元素都拥有一种特别的原子，不论

该元素的量有多少，都是由这种相同的原子所构成的。而且一种

元素之所以不同于另外一种元素，是由于它们的原子性质不同，

这样，硫原子比氧原子重，而氧原子比氮原子重；依次氮原子又

比碳原子重；碳原子双比氢原子重。

意大利化学家阿伏伽德罗曾将原子论应用在气体上，以证明

等体积的气体（不论它的性质是什么）是由等数目的质点所组成，

这就是阿伏伽德罗假说。最初认为这些质点是原子，但是最后弄

清，在大部分情况下是由称为分子的小原子团所构成的。若一个

分子含有不同种类的原子（像水分子，它含有1个氧原子和2个氢

原子），它就是一种化合物的分子。

自然，测量不同原子的相对重量——也就是找出各元素的原子

重量就变得很重要了。靠19世纪以前的称重技术要想称得微小原

子的重量是不可能的，但是先称量从化合物中分离出来的每个元

素的重量，再根据各种元素的化学性质来推测，就可能得到原子

的相对重量。第一位系统地进行这项工作的就是瑞典的化学家贝

采利乌斯。1828年，他根据两种标准发表了一个原子量的表，这

两个标准是先任意地亿定氧的原子量为100和氢的原子量为1。

贝采利乌斯的系统在当时并没有立即引起人们的注意；但是

到了1860年，在德国卡尔斯鲁厄召开的第一次国际化学会议上，

意大利的化学家坎尼札罗提出确定原子量的新方法，应用了到那

时为止一直遭到忽视的阿伏伽德罗假说。坎尼札罗在会议上激动

地描述了他的观点，当时曾使整个化学界都为之折服。

在那个时候，被采用作为重量标准的是氧而不是氢，因为氧

较易与其它不同的元素结合（在确定原子量的方法中，与其他元

素结合可算是一个关键的步骤）。1850年，比利时化学家史塔斯

把氧的原子量定为16，以使已知的最轻元素-氢的原子量大约为1，

精确地说是1.0080。

自坎尼札罗以来，化学家们努力寻找更准确的原子量。就纯

化学的方法来说，美国化学家理查兹在这方面的研究达到了顶点。

1904年及以后，他以从未达到过的精确度测定了原子量，因而得

到了1914年的诺贝尔化学奖。基于稍后关于原子的物理结构的发

现，理查兹的数值被修正得更精确。在整个19世纪，虽然大部分

的工作都集中在原子和分子方面，而且科学家们都相信其真实性，

但是却没有直接的证据可以证明它们是确实存在的而不是抽象的

东西。一些著名的科学家，像德国化学家奥斯特瓦尔德，就拒绝

接爱它们是实在之物，他认为它们有用却不是“真实的”。

后来的布朗运动则澄清了分子的真实性。这是1827年首先由

苏格兰植物学家布朗发现的。他注意到悬浮在水面上的花粉粹会

不规则地轻轻移动，以为这是由于藏在花粉粒中的小生合的缘故，

但是大小完全相同的染料质点也显示同样的运动。

1863年，他首先指出移动是由于周围水分子以不同的力撞击

质点。对于大的物体，从右边和左边撞击物体的水分子数目虽然

有些不同，但对于物体本身却没有影响。而对于微小的物体，也

许每秒只受到几百个水分子的撞击，某一边的分子稍微多几个——

这边或那边——就可导致令人感觉得到的轻微移动。小质点的杂乱

运动几乎成了水和一般物质的颗粒性的可见证据。

爱因斯坦对布朗运动作了理论分析，并且指出如何根据染料

颗粒轻微移动的程度来计算分子的大小。1908年，法国物理学家

皮兰研究了质点在重力的影响下，下沉时通过水面的行为，结果

发现其下沉运动会被来自底下的分子碰撞所抵消，所以布朗运动

可说是地心引力的方向相反。皮兰利用这项发现，并且根据爱因

斯坦所导出的议程式，算出了分子的大小，这连奥斯瓦尔德也不

得不接受这一观点。皮兰就因为这项研究获得1926年的诺贝尔物

理学奖。

这样原子就从半神秘的抽象转变成为几乎实体的东西。的确，

今天我们已可以说“看到”原子了。这是借助于宾夕法尼亚州立

大学的E.W.米勒在1955年发明的场离子显微镜实现的，这种仪器

可以从极细的针尖打出带正电荷的离子并把它们身到荧光屏上，

让它们产生500万倍的针尖放大影像。这个影像可以使构成针尖

的个别原子成为明亮的小点，后来又经过改进可得到每个单一原

子的影像。美国的物理学家克鲁在1970年报导，已借助扫描电子

显微镜观察到铀和钍的单个原子。

　　　　 门捷列夫周期表

到了19世纪，当元素数目增多时，化学家们开始觉得他们好

像陷入了一片浓密的丛林中。每个元素都有不同的性质，但是他

们却找不到依据把它们排列成表。由于科学的本质就是要在明显

的混乱中试着找出次序，所以科学家们仍然努力不懈地寻求元素

性质的某种规律。

1862年，紧接坎尼札罗确定原子量为化学上的一个重要研究

手段之后，法国地质学家比古耶·德·尚库图发现可以按原子量

渐增的次序把元素排列成表，这样一来，性质相同的元素就排在

同一行里了。过了两年以后，英国化学家纽兰兹也得到相同的排

法。但是这两位科学家却遭到嘲笑和轻视，在那时他们都无法让

自己的主张确切地发表出来。经过了许多年，在大家普遍承认周

期表的重要性之后，他们的论文才得以发表。纽兰兹甚至还因此

得到了奖章。

俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素中理出了头绪。

1869年，他和德国化学家迈耶尔共同提出了元素表，虽然基本上

与比古耶·德·尚库图和纽兰兹已经做过的一样，但是门捷列夫

具有比他们更大的勇气和信心来宣扬他的观点，因此得到了世人

的承认。

首先，门捷列夫的周期表（之所以称为周期表是因为表中相

似化学性质的元素周期性的重复出现）比纽兰兹的元素表复杂，

而且也较接近目前认为正确的周期表（见表6-1）。其次，按照

元素性质的排法与根据原子量排成的次序有出入。然而门捷列夫

认为性质重于原子量，于是大胆地改变原来的次序。最后证实他

是对的。例如，原子量为127．61的碲，若以原子量为准，则应

排在原子量是126．91的碘之后。但在该分栏的周期表中，把碲

放在碘的前面可以把它置于性质和它极为相似的硒的下方；同时，

这样一来，也就把碘置于和它性质相似的溴的下面了。

最后，也是最重要的，门捷列夫毫不犹豫地在周期表上留下

一些空格，并且信心十足地宣称一定还可以发现属于这些空格的

元素。他还用表中待填补的元素的上下元素的性质作为参考，指

出三个待补元素的大致性状。门捷列夫非常幸运，在他有生之年，

他所预测的三个元素都被发现了，因此他能亲眼目睹自己所建立

的系统的成功。1875年，法国化学家勒科克·德·布瓦博德朗发

现了遗漏的三个元素中的第一个，并命名为镓（是以“法国”的

拉丁文来命名的）。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了第二个，

并命名为钪（是以“斯堪的纳维亚”来命名的）。而在1886年，

德国化学家温克勒发现了第三个，并命名为锗（当然是以“德国”

这个名字来命名的）。这三个元素的性质几乎和门捷列夫所预测

的一样。

　　　　 原子序数

随着伦琴发现了X射线之后，周期表的历史展开了新的纪元。

1911年，英国物理学家巴克拉发现，当X射线受到一块金属散射

时，散射光有一定的穿透力，其大小随金属而有所不同。换句话

说，每种元素可产生特征X射线。由于这项发现，巴克拉获得了

1917年的诺贝尔物理学奖。

然而，X射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波状辐

射，仍然是一个悬而未决的问题。有一种鉴定方法就是看X射线

是否能借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即改变射线方

向）。要想得到适当的衍射，这些细线的间距必须大致与辐射线

的波长大小相等。目前最密的人工衍射光栅，一般光线刚好适用，

但是由X射线的穿透力得知，若X射线像波一样，则其波长一定远

小于一般光线。因此一般的衍射光栅不能使X射线产生衍射。

当时德国物理学家劳厄想到，晶体是远比人工光栅更细小的

天然光栅。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间

有一定的特定角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体

结构的原子有次序地排列的结果。有理由认为，一层原子和另一

层原子之间的距离大约是X射线波长的大小。如果这样，晶体会

使X射线衍射。

劳厄做实验发现，X射线通过晶体时确实会产生衍射，而且

在照相底片上形成一种图案，显示它们具有波的性质。同一年间，

英国物理学家W．L．布喇格和他的父亲W．H．布喇格研究出计算

衍射图案上各种X射线波长的方法。反过来，X射线衍射图案最后

用来决定使X射线衍射的原子层的确切方向。这样一来，X射线便

打开了了解晶体原子结构新知识的大门。由于在X射线方面的研

究，劳厄终于获得1914年的诺贝尔物理学奖，而布喇格父子则在

1915年同享该奖。

1914年，年轻的英国物理学家莫塞莱测定出由不同金属产生

的特征X射线的波长，并且发现周期表中各元素的波长随周期表

中的排列顺序有规则地递减。

这使每个元素在周期表上有了固定的位置。假定在周期表上

位置邻近的两个元素，其所得X射线波长相差了某一期待值的2倍，

那么它们之间一定有一个属于未知元素的空位。

如果差3倍的话，一定缺两个元素。换句话说，如果两个元

素的特征X射线波长相差正好为期待值，则我们可确定它们之间

没有缺少元素。

这样就可能给出元素的确定数目了。在这以前，常有某个新

发现的元素打破这种序列，但是到了现在，就不会再有未预计到

的空位了。

化学家把元素从1（氢）排到92（铀）。发现这些原子序数